SIMS

二次离子质谱(SIMS)SecondaryIonMassSpectroscopy质谱分析是将样品转化为运动的带电气态离子碎片，于磁场中按质荷比(m/z)大小分离并记录的分析方法。其过程为可简单描述为：离子源轰击样品带电荷的碎片离子电场加速(zeU)获得动能(1/2mV2)磁场分离(m/z)检测器记录其中，z为电荷数，e为电子电荷，U为加速电压，m为碎片质量，V为电子运动速度。质谱分析基本原理二次离子质谱分析二次离子质谱一定能量的离子打到固体表面会引起表面原子、分子或原子团的二次发射，即离子溅射。溅射的粒子一般以中性为主，其中有一部分带有正、负电荷，这就是二次离子。利用质量分析器接收分析二次离子就得到二次离子质谱。SIMS的原理示意图SIMS入射离子与样品的相互作用利用聚焦的一次离子束在样品表面上进行稳定的轰击，一次离子可能受到样品表面的背散射；也有部分进入样品表面，这部分离子把能量传递给晶格，当入射能量大于晶格对原子的束缚能是，部分原子脱离晶格向表面运动，并且产生原子间的级联碰撞，当这一能量传递到表面，并且大于表面的束缚能时，促使表面原子脱离样品，谓之溅射；一次离子引发的溅射大部分为中性原子或分子，也有少量荷电集团，包括带电离子、分子、原子团，按照荷质比经过质谱分离；SIMS入射离子与样品的相互作用离子溅射描述溅射现象的主要参数是溅射阈能和溅射产额。溅射阈能指的是开始出现溅射时，初级离子所需的能量。溅射产额决定接收到的二次离子的多少，它与入射离子能量、入射角度、原子序数均有一定的关系，并与靶材晶格取向有关。SIMS入射离子与样品的相互作用离子溅射——发射离子的种类（1）纯元素样品一价正、负离子及其同位素(保持天然丰度比)多荷离子：在质谱图上出现在一价离子质量数的1/2、1/3处原子团（2）通氧后原子团及化合物（3）有机物样品分子离子、碎片离子(给出化合物分子量及分子结构信息)SIMS入射离子与样品的相互作用硅的二次离子质谱－－正谱图硅的二次离子质谱－－负谱图Si(111)注O2表面二次离子质谱－－正谱图Si(111)注O2表面二次离子质谱－－负谱图SIMS二次离子质谱仪二次离子质谱仪主要由五部分组成：主真空室、样品架及送样系统、离子枪、二次离子分析器、离子流计数及数据处理系统热阴极电离型离子源双等离子体离子源液态金属场离子源一次探束多样：Ar＋、Xe＋…；O-、O2+…；Cs+、Ga+…；CF3+、C2F5+、C3F7+、SF5+·、C60……SIMS离子源四极质谱计（QuadrupoleMassSpectrometer）双聚焦磁偏转（DoubleFocusingMagneticSector—QMS）质谱计飞行时间（TimeofFlight—TOF）质谱计SIMS质量分析器SIMS二次离子分析方法1.定性分析——痕量杂质分析2.定量分析——检测到的离子流与样品成分间的关系（1）基本公式I±(xn,t)=AJpS±(xn)fC(xn,t)=IpS±(xn)fC(xn,t)由于S±的不确定性，使按公式进行定量分析失去实际意义。（2）实际定量分析方法标样法：通用标样、专做标样(离子注入标样)利用大量经验积累或研究相对变化3．深度剖面分析边剥离边分析，通过溅射速率将时间转化为深度。可同时检测几种元素。绝对分辨与相对分辨弧坑效应－电子门取样4.绝缘样品分析中的“中和”问题SIMS主要特点优点1.检测极限可达ppm，甚至ppb量级；2.能检测包括氢在内的所有元素及同位素；3.分析化合物组分及有机大分子结构；4.获取样品表层信息；5.能进行微区成分的成象及深度剖面分析。缺点1.定量差，识谱有一定难度；2.需要平整的表面进行分析；3.属破坏性分析技术。•半导体及微电子领域：基体表面痕量杂质分析•环境领域：大气中微粒成分分析•地球及天体科学：地质样品•纳米科学：纳米材料的结构……化学、物理学、生物学、材料科学、电子等领域有广泛应用SIMS其他应用谢谢！